Σχεδιασμός, Ανάπτυξη και Βελτιστοποίηση Υβριδικής Μονάδας Ισχύος Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας – Τεχνολογιών Υδρογόνου

Abstract

Τα περιορισμένα αποθέματα σε συμβατικά καύσιμα -όπως το πετρέλαιο και ο λιθάνθρακας- καθώς και η ολοένα αυξανόμενη ευαισθητοποίηση σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος, έχουν στρέψει ένα μεγάλο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας, που σχετίζεται με την παραγωγή και διαχείριση ενέργειας, στην αξιοποίηση εναλλακτικών Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Δυο τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που συμπεριλαμβάνονται στις ΑΠΕ αποτελούν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία και οι ανεμογεννήτριες, που μετατρέπουν την ηλιακή και αιολική ενέργεια αντίστοιχα, σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι τεχνολογίες αυτές χαρακτηρίζονται από μηδενική εκπομπή καυσαερίων. Ένα σημαντικό πρόβλημα όμως που σχετίζεται με τη χρησιμοποίηση των δύο τεχνολογιών ΑΠΕ είναι το γεγονός ότι η ηλιακή και η αιολική ενέργεια δεν είναι πάντα διαθέσιμες, ενώ επίσης δεν είναι εφικτή η ακριβής πρόβλεψη της διαθεσιμότητάς τους σε ένα μελλοντικό χρονικό ορίζοντα. Τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην ανάπτυξη και εφαρμογή κελιών καυσίμου (fuel cells), τόσο από τον ακαδημαϊκό χώρο όσο και από το χώρο της βιομηχανίας. Τα κελιά καυσίμου είναι διατάξεις που μετατρέπουν το χημικό δυναμικό σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα δύο σημαντικότερα πλεονεκτήματα των κελιών καυσίμου έναντι των συμβατικών μεθοδολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, είναι η υψηλότερη απόδοση και η ελαχιστοποίηση των καυσαερίων που αποβάλλονται προς το περιβάλλον, αφού δεν περιλαμβάνουν καύση και η παραγωγή ενέργειας δε βασίζεται σε θερμοκρασιακές διαφορές. Το σημαντικότερο πρόβλημα που έχει διαφανεί στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των κελιών υδρογόνου είναι η εξασφάλιση του ίδιου του καυσίμου, αφού το υδρογόνο δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση, και ουσιαστικά απαιτείται η δόμηση από την αρχή ενός δικτύου αποθήκευσης και διανομής υδρογόνου, με απώτερο στόχο το πέρασμα σε μία οικονομία που θα βασίζεται σε αυτού του είδους τις τεχνολογίες και καύσιμα. Ως υβριδικό σύστημα ισχύος, ορίζεται οποιαδήποτε σύστημα που αξιοποιεί πολλαπλές τεχνολογίες παραγωγής και διαχείρισης ενέργειας. Τα υβριδικά συστήματα συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των επιμέρους τεχνολογιών, ενώ σε πολλές περιπτώσεις δίνουν λύσεις σε προβλήματα που σχετίζονται με την χρησιμοποίηση κάθε τεχνολογίας ξεχωριστά. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση μιας υβριδικής μονάδας ισχύος που συνδυάζει τις τεχνολογίες ΑΠΕ που προαναφέρθηκαν (φωτοβολταϊκά στοιχεία, ανεμογεννήτριες) με τις τεχνολογίες υδρογόνου. Το υβριδικό σύστημα δίνει λύση στο πρόβλημα της διαθεσιμότητας των ΑΠΕ -αφού δίνει τη δυνατότητα μετατροπής της ηλιακής και αιολικής ενέργειας σε χημική ενέργεια (με τη μορφή καυσίμου υδρογόνου), η οποία πλέον αποθηκεύεται και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε χρονική περίοδο χωρίς περιορισμούς. Tο υβριδικό σύστημα εξετάζεται τόσο στο σύνολό του, όσο και σε επίπεδο κάθε μίας από τις επιμέρους διατάξεις χωριστά. Και στα δύο επίπεδα οι ερευνητικές προκλήσεις είναι ποικίλες. Η μοντελοποίηση της ηλιακής και της αιολικής ηλεκτρικής παραγωγής παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς περιλαμβάνει υψηλά επίπεδα αβεβαιότητας. Για τη συστοιχία κελιών καυσίμου αναπτύσσονται μοντέλο προσομοίωσης και σύστημα βέλτιστης λειτουργίας και ελέγχου της δυναμικής συμπεριφοράς τους. Τέλος, για τη συνολική υβριδική διάταξη, αναπτύσσεται ένα σύστημα βέλτιστης λήψης αποφάσεων με βάση αρχές από τη ρύθμιση προβλεπτικού μοντέλου (Model Predictive Control, MPC) θεωρώντας δεδομένη την κατανομή της ζήτησης σε ηλεκτρική ενέργεια καθώς και τη μετεωρολογική πρόγνωση που σχετίζεται με τις ΑΠΕ σε ένα βραχυπρόθεσμο χρονικό ορίζοντα. Μεταβλητές απόφασης του συστήματος αποτελούν η ενέργεια που διατίθεται προς ηλεκτρόλυση, προς πώληση και προς αγορά από το δίκτυο, καθώς και η ποσότητα του υδρογόνου που καταναλώνεται στη συστοιχία κελιών καυσίμου. Για την ανάπτυξη των μοντέλων και το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση του υβριδικού συστήματος αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν προηγμένες μεθοδολογίες. Συγκεκριμένα για την ανάπτυξη των λεπτομερών μοντέλων των συστοιχιών κελιών καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και θεμελιώδεις εξισώσεις ισοζυγίων μάζας και ενέργειας. Για τη μεταμοντελοποίηση αυτών των συστημάτων όπως επίσης και για τη μοντελοποίηση της διαθεσιμότητας της ηλιακής ενέργειας, χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία τεχνητών νευρωνικών δικτύων και ειδικότερα η αρχιτεκτονική των νευρωνικών δικτύων ακτινικής συνάρτησης βάσης. Για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των συστημάτων κελιών καυσίμου διαμορφώθηκαν και επιλύθηκαν προβλήματα μονοκριτηριακού και πολυκριτηριακού μη γραμμικού προγραμματισμού. Τέλος για το σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου της συστοιχίας κελιών καυσίμου και τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του συνολικού υβριδικού συστήματος, αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες, που όπως αναφέρεται πιο πάνω, βασίζονται στις αρχές του προβλεπτικού ελέγχου, δηλαδή τη λύση σε πραγματικό χρόνο προβλημάτων βελτιστοποίησης που αναφέρονται σε κυλιόμενο μελλοντικό χρονικό ορίζοντα. Τα πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής αναφέρονται στη λίστα δημοσιευμένων εργασιών στο τέλος αυτής. Συμπεραίνεται, μεταξύ άλλων, ότι το υβριδικό σύστημα που προτείνεται είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε περιοχές με έντονη ηλιακή ακτινοβολία ή/και αιολικό δυναμικό, καθώς αξιοποιεί τις ήπιες αυτές μορφές ενέργειας ακόμη και σε χρονικές περιόδους που αυτές δεν είναι διαθέσιμες. Έτσι ελαχιστοποιείται ή χρήση συμβατικών μορφών ενέργειας, μειώνεται η επιβάρυνση του περιβάλλοντος ενώ, με κατάλληλη διαστασιολόγηση του συστήματος, μπορεί αυτό να γίνει εντελώς αυτόνομο ενεργειακά και να εφαρμοστεί για την πλήρη κάλυψη σε ενέργεια καταναλωτών που δεν έχουν πρόσβαση στο ηλεκτρικό δίκτυο (για παράδειγμα ορεινά καταφύγια, κεραίες κινητής τηλεφωνίας, απομακρυσμένα νησιά, κλπ)

The limited reserves of conventional fuels like oil and the increasing interest of the public in the protection of the environment, has led the research community to seek alternative Renewable Energy Sources (RES). Two mature technologies -categorized into the RES class- are the photovoltaic cells and the wind generators which convert the solar and wind energy to electrical energy respectively. These technologies are characterized by zero emissions of pollutant products. The main disadvantage of these technologies is that solar and wind energy are not always available, whereas the accurate prediction of solar energy distribution is not feasible over a long future time period. Over the last few years special emphasis has been given on the development and implementation of fuel-cell systems, for both academic purposes and industrial applications. Fuel cells may be considered as chemical reactors of continuous work, which convert fuel and oxidant chemical potential into electrical energy. The two key advantages of fuel cells, compared to the conventional electrical power generation technologies, are the higher efficiency and the almost zero levels of pollutant gases. That is because power generation is not based on combustion techniques and temperature gradients. The most important drawback concerning fuel-cell technology is supplying the fuel itself, as hydrogen does not exist free in nature and it is thus necessary to built from the beginning a hydrogen storage and distribution grid, where the ultimate goal would be an economy based on such kind of technologies and fuels. The term “hybrid power generation system” refers to all those systems that combine various production and management of energy technologies. Hybrid systems combine the particular advantages of each technology whereas in several cases they give solutions in problems concerning the management of each technology. The purpose of the present dissertation is the design, development and optimization of a hybrid system which combines the aforementioned RES (photovoltaic cells, wind generators and hydrogen technologies). The hybrid system solves the RES-availability problem –as it offers the capability of converting solar and wind energy into chemical energy (hydrogen)- which is stored and consequently can be used at any time without limitations. The hybrid system is studied both from a detailed point of view and overall. At both levels there are various research challenges. Prediction of solar and wind power generation is of particular interest, as it invlolves high levels of uncertainities. As regards to the the fuel-cell stack system, a simulation and optimal performance and control model is developed. Finally, concerning the hybrid system, the fundamental principles of Model Predictive Control, (MPC) are used for developing an optimal decision strategy, given the load and RES profiles over a short-term future period. The decision variables are: the energy which is consumed by the electrolyser, the purchased or sold energy from/to the grid during each time period, the amount of hydrogen consumed by the fuel cells, and the amount of stored hydrogen at the end of each time period. In order to develop the several models used in the design and optimization of the hybrid system, advanced methodologies were applied. In particular, for the development of the detailed fuel cells performance models, Computational Fluid Dynamics methods as well as fundamental mass and energy conservation equations were applied. For the meta-modeling of these systems as well as for the prediction of the availability of solar energy, Artificial Neural Networks and in particular the Radial Basis Function neural network architecture was used. For the fuel cell systems performance optimization single- and multi-objective optimization problems were formulated and solved. Finally, for the design of the fuel cell control system as well as for the performance optimization of the hybrid system, advanced methodologies were developed which –as it has already been mentioned above- are based on the fundamental principles of MPC, i.e. then are based on the solution of real-time optimization problems which refer to a rolling future horizon concept. The original data and results of this dissertation can be found in the published works list at the end of it. Conclusively, the proposed hybrid system can be useful in regions where there is high solar intensity or/and wind potential as it exploits these alternative energy sources, even in time periods where these are not available. So, the use of conventional energy sources is minimized, the aggravation of the environment is avoided whereas, by sizing the hybrid system in an optimal way, this can operate in an autonomous way, covering the energy demands of consumers that are not grid connected (for example alpine resorts, mobile telephony antennas, remote islands etc.)